Facharbeit 08 -Wettersateliten Noaa-

Nicht nur für unsere Freizeitplanung ist die Information über die Entwicklung der Wetterlage, die uns die Nachrichten täglich präsentieren, ein unabdingbarer Vorteil. Auch in Bereichen wie Landwirtschaft, Seefahrt und Katastrophenschutz ist eine detaillierte Wettervorhersage die wichtigste Grundlage für Planung und Vorgehen. Innerhalb der letzten 50 Jahre konnte die Forschungsrichtung der Meteorologie große Fortschritte im Bezug auf Verlässlichkeit und Präzision ihrer Messdaten verzeichnen. Das ist nicht etwa primär einer Verbesserung der Mess- und Auswertungsinstrumente der Bodenstationen zu verdanken, vielmehr lässt erst eine Beobachtung der Luft- und Wolkenströme aus der Weltraumperspektive im Voraus eine präzise Berechung der kommenden Wetterlage zu. Meteorologische Institute setzen daher vermehrt auf Satellitentechnik. Geostationäre wie auch polarumlaufende Wettersatelliten liefern ihnen geradezu eine Datenflut zu allen erdenklichen wetterbeeinflussenden Faktoren.

Im Folgenden werde ich mittels einer selbst konstruierten Antenne Codierung und Auswertung des von einem solchen Wettersatelliten übertragenen Datenmaterials darstellen.

  • Satelliten der National Oceanic and Atmospheric Administration:

Die Satellitenreihe der NOAA eignet sich am besten zur Erklärung und Umsetzung der Aufgabestellung:

  • Die Daten dieser Satelliten sind für Lehr- und Ausbildungszwecke freigegeben
  • Aufgrund seiner Flugbahneigenschaften sind keine komplizierten Antennenanlagen erforderlich
  • Die Bildinformation wird in einem leicht zu decodierenden analogen Protokoll übertragen

NOAA – Satelliten sind polarumlaufende, „Low-Earth-Orbit-Satellites“. Mit einer Bahngeschwindigkeit von 8 km/s umrunden die Satelliten auf ihrer Laufbahn über die Pole die Erde lediglich in der Zeitspanne von ca. 100 min. Sie scannen die gesamte Erdoberfläche im Laufe eines Tages mindestens einmal ab und liefern auch Datenmaterial über die für die Wetterentwicklung wichtigen Polregionen. Abb.1

Features:

Ein Radiometer (AVHRR) liefert durch Messungen der von der Erdoberfläche reflektierten Energie Informationen zu Vegetation, Temperatur der Meeres- und Landoberfläche und Wolkenbewegungen. Für deren Erfassung müssen verscheide Spektralbereiche abgedeckt werden. Der AVHRR verfügt über Sensoren zur Messung von sechs Lichtspektren.

Kanal

Farbe

Spektralbereich

Charakteristik

1

Gelb bis orange,

sichtbar rot

580nm – 680nm

Wolken und Erdoberfläche (Tag)

optische Dichte von Aerosolen in der Atmosphäre über Wasser

2

nahes Infrarot

0.725 – 1.00 µm

im Maximum der Chlorophyllreflexion,

für Vitalitätsuntersuchungen

3A

mittleres Infrarot

1.58 – 1.64 µm

Trockenindikator

für Böden und Vegetation

3B

thermisches Infrarot

3.55 – 3.93 µm

Oberflächentemperatur der Meere

Wolken (Nacht)

4

thermisches Infrarot

10.30-11.30 µm

Oberflächentemperatur der Meere

5

thermisches Infrarot

Wasserdampf

11.50-12.50 µm

Oberflächentemperatur der Meere

Die Auflösung des Radiometers AVHRR beträgt am SSP 1 km und wird zur Übertragung via APT auf 4 km reduziert. Verzerrungen, die durch die Krümmung der Erdkugel entstehen, werden automatisch korrigiert.

  • APT (Automatic Picture Transmission):

Das ATP (Automatic Picture Transmission) ist ein Verfahren, das in 60er Jahren entwickelt wurde, um Bildinformationen von Wettersatelliten zu Bodenstationen zu übertragen. Es handelt sich um ein analoges Verfahren, da die Information auf einen Hilfsträger amplitudenmoduliert und dieser Hilfsträger wiederum mittels Frequenzmodulation auf das Hochfrequenzsignal aufmoduliert und als solches ausgestrahlt wird. Das Verfahren ermöglicht es, zwei verschiedene Bildquellen synchron zu übertragen. Der Vorteil dieses Codierungsverfahrens liegt darin, dass die Informationen mit einfachen Mitteln sowie in Echtzeit decodiert werden können. Außerdem erfolgt die Übertragung ununterbrochen, sodass zu jedem beliebigen Zeitpunkt mit der Auswertung des Bildmaterials begonnen werden kann.

APT im Detail:

Die Informationen bestehen aus 8 Bit Graustufenwerten und werden als Amplitudenänderung auf eine Hilfsfrequenz von 2400 Hz aufmoduliert. Dabei entspricht eine maximale Amplitude der Farbe weiß, kein Ausschlag der Farbe schwarz. Der AVHRR-Radiometer liefert Bildinformationen von 10 Bit Werten, die die APT-Einheit auf 8 Bit Wert reduziert. Dies erfolgt durch zwei RORs, was einer Division durch vier entspricht. Es lassen sich folglich 256 (2^8) Graustufen darstellen. Die 8 Bit Werte werden einem D/A-Converter zugeführt, der die digitalen Werte in analoge Werte umwandelt.

Eine Zeile der gesendeten Bildinformation besteht aus 2080 Pixel. Pro Sekunde werden zwei Zeilen übertragen. Daraus ergibt sich eine Baudrate von 4160, d.h. die Übertragung von 4160 Informationen (Pixel) erfolgt in einer Sekunde, bzw. die Übertragung eines umgewandelten 8 Bit Graustufenwerts pro 0,24 Millisekunden.

Abb. 2

 

Der hier dargestellte schematische Aufbau zeigt die Übertragung einer Zeile, die innerhalb 0,5 Sekunden stattfindet. Unter einem „Word“ versteht die Informatik die Grundbreite einer Information, im Falle des APT einem 8 Bit Wert.

Die Übertragung der jeweiligen Sensorkanäle (vgl. Tabelle S.4) beginnen mit einem Synchronisationsblock (39 Words) zur Unterscheidung von Kanal A (entspricht linker Abbildungshälfte der Abb.2) und Kanal B (rechte Abbildungshälfte), auf den ich später noch eingehen werde.

Ein weiterer Block von 47 Words kennzeichnet die Vollendung einer Minute durch zwei weiße gefolgt von zwei schwarzen Zeilen. Der Graustufenwert während der übrigen Zeit codiert die Raumstrahlung.

Es folgt die eigentliche Bildinformation des Radiometer-Sensors auf 909 Words. Hier entscheidet die Bodenstation über die Auswahl der Sensorkanäle. Zweckmäßigerweise werden bei Tageslicht Sensor-Kanal 1 (sichtbares Licht) und ein Infrarot Kanal (vgl. Tabelle S.5: 2-5) übertragen, bei Dunkelheit zwei verschiedene Infrarotkanäle (vgl. Tabelle S.5: 2-5).

Ein weiterer 45 Words breiter Block beinhaltete wichtige Telemetriedaten. Sie dienen unter anderem zur Kalibrierung der Empfangssoftware.

Die Übertragung des Kanals B (Abb.2 rechte Bildhälfte) erfolgt analog zum hier beschriebenen Kanal A.

Hier ist ein kleiner Ausschnitt eines dekodierten Wettersatellitensignals zu sehen, auf dem sich die verschiedenen, oben beschriebenen „Word“-Blöcke optisch sehr gut nachvollziehen lassen.

Kanal A Kanal B

Abb. 3

 

 

 

 

 

APT Frame:

Es werden 16 Parameter (z.B. Kalibrierungsdaten für die Empfangssoftware, Referenzsensoren, Sensorkanalidentifikation) codiert, die je aus 8 Zeilen (lines) bestehen (vgl. Abb.4). Daraus ergibt sich ein Datenpaket von 128 Zeilen, das als „Frame“ bezeichnet wird. Nach einer Übertragungszeit von 64 Sekunden folgt ein neuer Frame, der in gleicher Weise diese 16 Parameter beschreibt.

Abb. 4

Die Parameter eins bis neun sind fest definierte Modulationsgrade, zehn bis fünfzehn Referenzsensoren, die für unsere Betrachtungen nur geringe Wichtigkeit haben. Der sechzehnte gibt Auskunft über den verwendeten Sensorkanal. Zu dessen Identifikation werden Vergleichswerte aus den Modulationsgraden herangezogen.

1. Referenzmodulation 10,6%

2. Referenzmodulation 21,5%

3. Referenzmodulation 32,4%

4. Referenzmodulation 43,3%

5. Referenzmodulation 54,2%

6. Referenzmodulation 65,2% (Problem: vgl.4. Problem mit Bandbreite)

7. Referenzmodulation 78,0%

8. Referenzmodulation 87,0 % (Maximale Amplitude)

9. Referenzmodulation 00,0% (Niedrigste Amplitude)

10. Referenzsensor 1

11. Referenzsensor 2

12. Referenzsensor 3

13. Referenzsensor 4

14. patch temperature

15. back scan

16. Kanalidentifikation

Synchronisationsblock:

Die ersten 39 Words informieren die Dekodierungssoftware darüber, ob die im Anschluss übertragenen Daten Kanal A oder B zugeordnet werden müssen.

Abb. 6

Hierbei werden jeweils sieben Impulse gesendet, die sich jedoch voneinander unterscheiden. Beide Codes bestehen aus einem Rechteckssignal auf den 8 bit Graustufenwerten 244 und 11, wobei die ersten steigenden Flanken nach 0,96 Millisekunden beginnen (vgl. Abb.5).

Kanal A entspricht einem symmetrisches Signal der Frequenz 1040 Hertz, Kanal B einem Signal aus drei Zeiteinheiten des Wertes 244 gefolgt von zwei Zeiteinheiten des Wertes 11. Dieses Rechtecksignal wird siebenmal wiederholt.

Gegenüberstellung Tonspur und dekodiertes Bild:

Um das oben Erläuterte einmal praxisnah darzustellen, habe ich hier 0,25 Sekunden, also genau eine halbe Sensorzeile als Tonspur und als ausgewertetes Bild zusammengefügt. Die einzelnen Blocks sind durch vertikale Striche markiert. Diese Tonspur stellt jedoch nur eine Zeile dieses Bildes dar, während der Anschaulichkeit halber ein breiter Bildausschnitt abgebildet wurde. Hellere Bereiche weisen eine höhere Amplitude auf.

Abb.7

 

  • Physikalische Überlegungen zur Konstruktion einer 2m Empfangsantenne:

Für den Empfang von sich bewegende Satelliten sind folgende Anforderungen an eine Antenne zu stellen:

  • Sie muss in alle Richtungen gleich gut empfangen
  • Sie muss eine rechtsdrehend zirkulierende Polarisation aufweisen
  • Sie muss auf 50 Ω transformiert werden um Anpassungsverluste zu verhindern
  • Sie muss aus wetterfesten Material bestehen und eine geringe Windlast aufweisen

 

Dazu eignet sich ein Kreuzdipol, der aus 2 Lambda halben Dipolen besteht, die wiederum senkrecht aufeinander stehen.

Materialbedarf:

  • 4 nicht korrosionsanfällige Metallstangen mit 3-6 mm Durchmesser (hier verwendet: Kupferrohr mit 5mm Durchmesser)
  • 2x 75 Ω geschirmtes Koaxialkabel zur Impedanztransformation
  • 50 Ω geschirmtes Koaxialkabel zur Impedanztransformation
  • 50 Ω geschirmtes Koaxialkabel als Verbindung zum Empfänger

 

Die Dimensionierung der einzelnen Baumaterialen lässt sich folgendermaßen berechnen. Die Abmessung der Dipole (4 Metallstangen) sowie der 3 Koaxialkabel bestimmen sich nach der Formel (λ/4) * v (Verkürzungsfaktor).

Dieser Verkürzungsfaktor bringt den Aspekt der langsameren Ausbreitung der elektromagnetischen Welle λ im dichteren Medium mit ein. Im Fall des Empfangsdipols beschreibt v(D) die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle in Metall, d.h. im Dipol selbst bezogen auf Lichtgeschwindigkeit und beträgt 0,96.

Im Koaxialkabel sind Faktoren wie das Material und die Abmessung des Dielektrikums zwischen Schirmung und Seele für die Berechnung des Wertes v(K) ausschlaggebend. Für das hier verwendete Koaxialkabel (Dielekrikum: Polyethylen) beträgt v(K) 0,66.

 

Dimensionierung:

  • Strahlerlänge ist (c/137Mhz)/4 * vD = 52,5cm
  • Koaxialkabellänge 75 Ω ist (c/137Mhz)/4 * vK= 36,1 cm
  • Koaxialkabellänge 50 Ω ist (c/137Mhz)/4 * vK = 36,1 cm

 

 

Konstruktion der Antenne:

Die beiden aufeinander senkrechtstehenden Dipole (1.) und (3.) werden mit dem 50 Ω Koaxialkabel verbunden (vgl. Abb.8). Die anderen beiden 75 Ω Koaxialkabel (4.) werden parallel geschaltet und ebenfalls mit dem Dipol (3.) verbunden, wobei darauf zu achten ist, dass Seele auf Seelen und Schirmung auf Schirmungen treffen. Der Aspekt der Rechtsdrehung ist bei der Verkabelung zu beachten und kann der Abb.8 entnommen werden.

Lambda viertel Transformator:

Um die maximale Energie von der Antenne auf den Empfänger zu übertragen, soll der oben beschriebene Antennenkomplex eine Ausgangsimpedanz von 50 Ω ergeben. Verbindet man mit einem λ/4 Antennenkabel (2.) (50 Ω = Z) mit Dipol (1.) (73,2 Ω = Z1), dessen Impedanz nicht mit der Impedanz des Antennekabels übereinstimmt, so wird ein Teil der Energie wegen Fehlanpassung reflektiert. Eine stehende Welle ist die Folge. Die zurücklaufende Energie verändert das Spannung- Stromverhältnisses und somit die Impedanz(Z2 = Udt/Idt).

Abb.10

Dipol 3. (73,2 Ω) ist als Parallelschaltung zum Dipol 1. –Koaxialkabel 2. –Komplex (34,14 Ω) zu betrachten.


Um am Empfängereingang die gewünschte Impedanz von etwa 50 Ω zu erreichen, wird wiederholt eine λ/4 Transformation angewendet. Das Zwischenschalten zweier 75 Ω Koaxialkabel (parallel geschaltet: 37,5 Ω) ergibt eine Ausgangsimpedanz von 60,4 Ω.

Abb.12

Nachteil dieser Transformation ist die geringe Bandbreite, da sich, sobald sich die Frequenz verändert, auch λ/4 verändert wird. So lässt sich diese Methode jeweils nur individuell auf eine Frequenz optimieren und ist daher ungeeignet für Multiband-Antennen.

  • Umsetzung und Problem:

Konstruktion der Antenne:

Die Alpha-Version der Antenne unterscheidet sich stark von der endgültigen Antenne, da hier noch die rechtsdrehende Polarisation außer Acht gelassen wurde. Desweiter ist sie als Mobilantenne konzipiert, um Versuche an verschieden Standorten durchführen zu können. Die Dipole sind in einer Unterputzdose mit Heißkleber fixiert und verkabelt. Da diese Antenne unhandlich war und schlecht aufgestellt werden konnte, wurde sie auf einen Notenständer geschraubt. Somit war sie portabel und gleichzeitig höhenverstellbar, was sich zur Suche nach dem optimalen Abstand von der reflektierenden Untergrundfläche als vorteilhaft erwies.

An eine Beta-Version sind andere Anforderungen gestellt, da sie für die Montage an einem Antennenmast vorgesehen ist. Sie muss vor allem witterungsbeständig sein, sowie eine hohe Stabilität gegen Wind aufweisen. Dazu habe ich dünne Kupferrohre verwendet, die Schweißdrähte von innen stabilisieren. Um die Koaxialkabel zu befestigen, wurden die Kupferrohre an einem Ende gequetscht und Bohrungen für Befestigungsschrauben durchgeführt. Als Gehäuse fand eine Aufputz Verteiler Box für den Außenbereich Verwendung, da sie über die nötige Stabilität verfügte sowie über Dichtungen an den Öffnungen. Um die Möglichkeit einer Befestigung an einen Antennenmast zu gewährleisten, wurde die Box an einem Metallrohr befestigt. In den dafür vorgesehenen Bohrungen habe ich die Dipole befestigt und mit den Antennekabeln durch Muttern verschraubt. Abschließend mussten noch undichte Stellen mit Heißkleber verschlossen werden, um eine Korrosion von innen zu vermeiden. Größtes Problem war eine Fixierung der Dipole im Gehäuse, da durch die Hebelwirkung enorme Kräfte an der Befestigung auftraten. Es musste eine Lösung gefunden werden um sowohl horizontale als auch vertikale Vibrationen zu kompensieren. Ein Holzblock nimmt die Kräfte auf und leitet sie an den Gehäuseboden weiter. Die Holzblöcke sind untereinander mit Heißkleber verbunden, um die Bewegungen auf der Horizontalen abzufedern.

 

Empfangsaufbau:

Um nun Bilder empfangen zu können, muss die Antenne mit einem Empfangsgerät, in meinem Fall ein Mehrbandscanner Uniden UBC 69 XLT, verbunden werden. Der Kopfhörerausgang des Scanners wird mit einem 3,5 Klinkenkabel an den Line In- oder Mikrofoneingang eines PCs angeschlossen. Die Software WXtoImg sorgt für die Auswertung der Audiosignale. Diese Software ist mit den nötigen Informationen ausgestattet, um den nächsten Überflug eines Satelliten berechnen zu können. Zusätzlich verwende ich das Programm Orbitron, das die Satellitenbahnen grafisch darstellen kann und mir zur Planung meiner Experimente unabdingbar war. Befindet sich der Satellit in Reichweite so wird dessen Frequenz im Scanner eingegeben und die Squelch (Rauschsperre) manuell geöffnet. Das Programm beginnt nun zum vorausberechneten Zeitpunkt mit der Decodierung des APT-Signals. Nach Beendigung des Vorgangs bearbeitet es automatisch die Rohbildquelle auf.

Dopplereffekt:

Aufgrund der relativ hohen Geschwindigkeiten der Satelliten (ca. 8 km/s) tritt eine hohe Frequenzverschiebung auf. Geht der Satellit am Horizont auf und bewegt sich auf den Empfänger zu, so erhöht sich sie Empfangsfrequenz in Abhängigkeit des Winkels zum Empfänger um bis zu 2 kHz. Bewegt sich die Sendeeinrichtung des Satelliten vom Empfänger weg, so müssen die elektromagnetischen Wellen eine längere Strecke zurücklegen. Somit wird die Welle auseinander gezogen und die Frequenz vermindert sich. Speziell dafür konstruierte Receiver führen eine automatische Frequenzkorrektur durch. Da mir ein solches Empfangsgerät bei meinen Versuchen nicht zur Verfügung stand, sind diese Verzerrungen auf den empfangen Bildern aufgetreten, beeinträchtigen die Bildqualität jedoch kaum.

Problem der Bandbreite:

Unter der Bandbreite versteht man den Frequenzbereich, der für die Übertragung benötigt wird. Bei der Frequenzmodulation wird die Amplitude als Frequenzverschiebung von der Empfangsfrequenz angegeben. Bei NOAA Wettersatelliten beträgt die Bandbreite mehr als 30 kHz. Eine Abweichung um 15 kHz von der Empfangsfrequenz bedeutet folglich eine maximale Amplitude, die im APT-Protokoll als die Farbe weiß definiert ist. Der von mir verwendete Funkscanner Uniden UBC69XLT besitzt jedoch eine Bandbreite von lediglich 12,5 kHz. Somit war es nicht möglich, weiße Pixel zu empfangen. Die Auswirkung dieses Problems auf die Qualität der Bilder ist allerdings nicht allzu gravierend. Abhilfe könnte ein speziell für das 2m Band entwickelter Receiver schaffen, der über die nötige Bandbreite verfügt.

Problem mit Feldstärkeschwankungen:

Bei den ersten Versuchen mit der portablen Antenne musste feststellen, dass, sobald keine direkte Sichtverbindung zum Satelliten (Bäume, Haus usw.) bestand, die Qualität des Signals sofort stark einbrach. Um einigermaßen frei Verbindung herzustellen, wurde die Antenne auf dem gekippten Dachfenster abgestellt. Die Ergebnisse warnen verblüffend gut. Auch konnte ich feststellen, dass im UKW (Ultra Kurzwelle) Bereich erhebliche Feldstärkeverluste bei Nebel auftraten, da ich bei starkem Nebel nur schlechte von Störeinflüssen gezeichnete Bilder empfangen konnte.

WXtoImg (Decodierungsprogramm):

WXtoImg ist ein für nicht kommerzielle Zwecke plattformunabhängige Software, die es ermöglicht die APT-Audiosignale aus einem Receiver direkt über die Soundkarte des PCs auszuwerten. Es verfügt über die Eigenschaft, bei Eingabe des Standortes und einer genau gestellten Uhr, Längen- und Breitengrade, sowie Landesgrenzen in das Bild einzufügen. Wegen der zeilenweise übertragenen Bilderinformationen, kann dieses Programm aus der bekannten Flugbahn des Satelliten diese Daten in die empfanden Bilder integrieren. Auch ist es möglich, die in Graustufen übertragenen Bilder zu kolorieren. Des Weiteren verfügt dieses Programm über die Möglichkeit, empfange Bilder via FTP auf einen Webserver zu laden und somit die Wetterinformation anderen zur Verfügung zu stellen. Hierbei erweist sich als problematisch, dass die Satelliten ihre Bildinformationen auf verschiedenen Frequenzen aussenden und damit der Receiver mehrere Frequenzen zu überwachen hat. Dies erfolgt durch „hören“ auf vorprogrammierten Frequenzen bis ein Träger verfügbar ist. Diese Aufgabe erledigt die Squelch. Sie überwacht die Signalstärke und regelt, sobald diese zu schwach ist, den NF(Audiosignal) Verstärker ab und der Scannvorgang wird fortgesetzt. Bei meinen Versuchen wurde sie mehrmals pro Sekunde geschlossen, da durch die zu geringe Bandbreite das Trägersignal aus dem Empfangsbereichs des Scanners wanderte und somit keine ausreichende Feldstärke mehr zur Verfügung stand. Abhilfe hierfür schafft ein spezieller Receiver, bei dem die Squelch von einem 2,4 kHz NF-Signal geöffnet wird, oder ein Empfangsgerät, welches von der Software auf die korrekte Frequenz eingestellt wird.

Insgesamt zeigt sich, dass es möglich ist mit geringem Materialaufwand erstaunlich gute Ergebnisse beim Empfang von Satellitenbildern zu erzielen. Die Beschäftigung mit Satellitentechnik hat mir Einblicke in verschiedene naturwissenschaftliche Gebiete gebracht: in die Hochfrequenztechnik beim Antennebau, in die Kommunikationstechnik beim APT-Protokoll, in die Informatik bei der Auswertung und nicht zuletzt in die Meteorologie, der eigentliche Verwendungszweck der Bilder. Mit der Montage am 23.Januar 2008 stelle ich die von mir konstruierte Antenne dem Gymnasium bei St. Stephan zur Verfügung.

Ich erkläre hiermit, dass ich die Facharbeit ohne fremde Hilfe angefertigt und nur die im Literaturverzeichnis angeführten Quellen und Hilfsmittel benutzt habe.

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